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Die
Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des weiteren
betrifft die Erfindung eine Verbrennungskraftmaschine mit einem
derartigen Zylinderkopf.
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In
der
DE 24 60 972 A1 ist
ein Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine mit
je zwei Ventilkammern für Einlass- und Auslassventile und
einer zentral zwischen den Ventilkammern angeordneten Einspritzdüse
beschrieben, wobei der Zylinderkopf übereinander angeordnete,
miteinander kommunizierende Kühlmittelräume aufweist.
Ein unterer Kühlmittelraum umfasst hierbei zwei äußere
Kammern und einen Ringraum um die Einspritzdüse. Zwischen den äußeren
Kammern und dem Ringraum bestehen zwei Verbindungskanäle,
von welchen jeweils einer zwischen den Einlassventilkammern bzw.
den Auslassventilkammern ausgebildet ist. Kühlmittel, welches
dem unteren Kühlmittelraum über im Zylinderkopfboden
außenumfangseitig angeordnete Kühlmitteleinlassbohrungen
zuströmt, gelangt so über die Verbindungskanäle
in den Ringraum und von dort in einen oberen Kühlmittelraum.
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Der
Verbindungskanal zwischen den Einlassventilkammern weist einen geringeren
Querschnitt auf als der Verbindungskanal zwischen den Auslassventilkammern
und bildet somit eine Drosselstelle. Dadurch stellt sich an den
Kühlmitteleinlassbohrungen im Bereich der Auslassventilkammern
im Kühlbetrieb ein größerer Volumenstrom
des Kühlmittels ein.
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Als
nachteilig bei einem derartigen Zylinderkopf ist der Umstand anzusehen,
dass die beschriebene Anordnung der Verbindungskanäle keine
gezielte Kühlmittelführung ermöglicht,
welche für ein bevorzugtes Kühlen des Zylinderkopfbodens
zwischen den thermisch stark beanspruchten Auslassventilkammern
sorgt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, einen Zylinderkopf der eingangs
genannten Art zu schaffen, welcher ein verbessertes Kühlen
thermisch stark beanspruchter Bereiche des Zylinderkopfes ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Zylinderkopf
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen
der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen
angegeben.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Verbrennungskraftmaschine
mit einem erfindungsgemäßen Zylinderkopf gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Zylinderkopf für eine Verbrennungskraftmaschine
weist pro Zylinder jeweils einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum
mit einer Einlassseite, einer Auslassseite und einer dem Hohlraum
zugeordneten zentralen Kammer zum Aufnehmen einer Einspritzdüse
auf, wobei in dem Hohlraum ein oberer Kühlmittelraum und
untere Kammern angeordnet sind, von welchen zumindest eine über
zumindest einen ersten, zwischen Ventilsitzen für Auslassventilteller
eingeformten Verbindungskanal mit einem Ringraum in Verbindung steht,
welcher die zentrale Kammer umgibt und welcher mit dem oberen Kühlmittelraum
kommuniziert. Auf der Einlassseite ist zumindest ein zweiter Verbindungskanal
zum Verbinden zumindest einer der unteren Kammern mit dem oberen
Kühlmittelraum angeordnet, wobei der zweite Verbindungskanal
einen größeren Durchmesser als der erste Verbindungskanal
aufweist.
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In
dem in den Ringraum mündenden ersten Verbindungskanal weist
das den Zylinderkopf durchströmende Kühlmittel
eine vergleichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeit auf,
wodurch in den thermisch stark beanspruchten Bereichen eine gute
Kühlung erreichbar ist. Insbesondere der thermisch stark beanspruchte
Zylinderkopfboden zwischen den Ventilsitzen für die Auslassventilteller
und der Ringraum um die zentrale Kammer für die Einspritzdüse
ist im Kühlbetrieb mit rasch strömendem Kühlmittel
beaufschlagt. Zudem ist durch Einstellen einer von der Einlassseite
zu der Auslassseite gerichteten Strömungsrichtung dafür
gesorgt, dass den thermisch stark beanspruchten Bereichen des Zylinderkopfes
im Kühlbetrieb vergleichsweise kühles Kühlmittel
zuströmt.
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Gleichzeitig
lässt sich durch Dimensionieren eines Querschnitts des
ersten Verbindungskanals im Verhältnis zu dem Durchmesser
des zweiten Verbindungskanals gezielt ein den Zylinderkopf durchströmender
Teilstrom des zum Kühlen der Verbrennungskraftmaschine
zur Verfügung stehenden Kühlmittels einstellen.
Durch das Dimensionieren des entsprechend geringen Querschnitts
des ersten Verbindungskanals steht ein größerer
Hauptstrom an Kühlmittel zum Kühlen eines Kurbelgehäuses
und von Zylinderlaufbuchsen zur Verfügung. Der Teilstrom
und der Hauptstrom sind hierbei in vorteilhafter Weise weitgehend
entkoppelt.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn zumindest eine auf der Einlassseite
angeordnete untere Kammer ein Element zum Vermeiden eines direkten Anströmens
des Ringraums aufweist. Durch das Element zum Vermeiden eines direkten
Anströmens des Ringraums ist daher in Zusammenwirken mit
dem ersten Verbindungskanal in vorteilhafter Weise gewährleistet,
dass insbesondere der thermisch stark beanspruchte Zylinderkopfboden
zwischen den Ventilsitzen für die Auslassventilteller und
der Ringraum um die zentrale Kammer für die Einspritzdüse
im Kühlbetrieb mit rasch strömendem Kühlmittel
beaufschlagt sind.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich das
Element zum Vermeiden eines direkten Anströmens des Ringraums
von dem Zylinderkopfboden zumindest bis in Höhe einer dem Ringraum
zugewandten Mündung des ersten Verbindungskanals. Hierdurch
ist in besonders wirkungsvoller Weise ein direktes Anströmen
des Ringraumes vermeidbar.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
Schnittansicht eines Zylinderkopfes durch Ventilkammern für
Einlass- und Auslassventile;
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2 eine
im Verhältnis zur Schnittansicht aus 1 versetzte,
weitere Schnittansicht des Zylinderkopfes durch Ventilkammern für
Einlass- und Auslassventile;
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3 eine
Schnittansicht des Zylinderkopfes durch eine zentrale Kammer zum
Aufnehmen einer Einspritzdüse;
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4 eine
Schnittansicht des Zylinderkopfes entlang einer Linie IV-IV aus 3;
und
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5 eine
Schnittansicht des Zylinderkopfes entlang einer Linie V-V aus 3.
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In 1 und 2 ist
jeweils ein Schnitt durch einen Zylinderkopf 10 für
eine vorliegend nicht dargestellte Verbrennungskraftmaschine mit
einer Einlassseite 12 zu sehen. Auf der Einlassseite 12 führt
ein Einlasskanal 14 zu einem Ventilsitz 16 einer Einlassventilkammer 18 hin.
Auf einer Auslassseite 20 des Zylinderkopfes 10 führt
ein Auslasskanal 22 von einem Ventilsitz 24 einer
Auslassventilkammer 26 weg. Die Ventilsitze 16, 24 sind
zum Aufnehmen von vorliegend nicht dargestellten Ventiltellern ausgelegt.
Der Zylinderkopf 10 weist eine zentrale Kammer 28 zum
Aufnehmen einer in 3 dargestellten Einspritzdüse 30 auf.
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In
einem Hohlraum des Zylinderkopfes 10, welcher im Kühlbetrieb
von einem Kühlmittel durchströmt ist, sind ein
oberer Kühlmittelraum 32 und untere Kammern 34 angeordnet.
Zum Überführen des Kühlmittels aus einem
vorliegend nicht dargestellten Kurbelgehäuse mit vorliegend
nicht dargestellten Zylinderlaufbuchsen in den Zylinderkopf 10 weisen
die unteren Kammern 34 Kühlmitteleinlässe 36 auf.
Im Kühlbetrieb verlässt das Kühlmittel
den oberen Kühlmittelraum 32 über einen
Kühlmittelauslass 38.
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Im
Kühlbetrieb wird ein vorliegend durch Strömungspfeile 40 angedeuteter
Kühlmittelkreislauf durch eine Kühlmittelfördereinrichtung 42,
beispielsweise durch eine in 1 und 2 schematisch dargestellte
Kühlmittelpumpe angetrieben, welche auf der im Vergleich
zur Einlassseite 12 heißeren Auslassseite 20 des
Zylinderkopfes 10 angeordnet ist. Das Kühlmittel
strömt somit im Bereich der vorliegend nicht dargestellten
Zylinderlaufbuchsen von der Auslassseite 20 auf die Einlassseite 12 der
Verbrennungskraftmaschine. Zum Kühlen des Zylinderkopfes 10 strömt
Kühlmittel durch die Kühlmitteleinlässe 36 in
die unteren Kammern 34 des Zylinderkopfes 10.
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In 3 und 4 ist
ein erster Verbindungskanal 44 dargestellt, welcher, wie
in Zusammenschau mit 4 erkennbar, zwischen den Ventilsitzen 24 der
Auslassventilkammern 26 eingeformt ist und welcher mit
einem Ringraum 46 um die zentrale Kammer 28 für
die Einspritzdüse 30 in Verbindung steht. Über
den ersten Verbindungskanal 44 strömt im Kühlbetrieb
Kühlmittel aus der auslassseitigen unteren Kammer 34 in
den Ringraum 46 und aus dem Ringraum 46 in den
oberen Kühlmittelraum 32. Das Kühlmittel
kühlt hierbei gezielt und mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
thermisch stark beanspruchte Bereiche des Zylinderkopfes 10,
insbesondere einen Zylinderkopfboden 48 zwischen den Ventilsitzen 24 für
die Ventilteller in den Auslassventilkammern 26 und den
Ringraum 46 um die zentrale Kammer 28 für
die Einspritzdüse 30. Ebenso werden im Kühlbetrieb
dem Zylinderkopfboden 48 nahe gelegene Bereiche zwischen
den Auslassventilkammern 26 und den Einlassventilkammern 18 von
Kühlmittel mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
durchströmt, was zu einem guten Wärmeeintrag in
das Kühlmittel und damit zu einer guten Kühlung
des Zylinderkopfes 10 führt.
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Ein
Querschnitt des in vorteilhafter Weise mittels spanender Formgebung
zu erstellenden ersten Verbindungskanals 44 und sein Abstand
zum Zylinderkopfboden 48 sind dabei so bemessen, dass der
Teilstrom des Kühlmittels, welcher von dem das Kurbelgehäuse
mit den Zylinderlaufbuchsen kühlenden Kühlmittelstrom
abzweigbar ist, für eine ausreichende Kühlung
des Zylinderkopfbodens 48 in den thermisch stark beanspruchten
Bereichen der Ventilsitze 24 und des Ringraums 46 sorgt.
Ein Hauptstrom 50 des Kühlmittels steht dabei
zum Kühlen des Kurbelgehäuses und der Zylinderlaufbuchsen
zur Verfügung. Der Teilstrom und der Hauptstrom 50 sind
hierbei weitgehend entkoppelt.
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Im
Kühlbetrieb wird den auf der Einlassseite 12 des
Zylinderkopfes 10 angeordneten unteren Kammern 34 der
Hauptstrom 50 des Kühlmittels zugeführt,
welcher auch die vorliegend nicht dargestellten Zylinderlaufbuchsen
umströmt. Der Hauptstrom 50 weist auf der Einlassseite 12 des
Zylinderkopfes 10 eine höhere Temperatur auf als
auf der Auslassseite 20 des Zylinderkopfes 10.
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In 3 ist
in Zusammenschau mit 4 erkennbar, dass die auf der
Einlassseite 12 des Zylinderkopfes 10 angeordneten
unteren Kammern 34 ein Element 52 aufweisen, durch
welches im Kühlbetrieb ein direktes Anströmen
des Ringraums 46 mit Kühlmittel aus den unteren
Kammern 34 auf der Einlassseite 12 vermieden wird.
Aus 3 geht hervor, dass sich das Element 52 vom
Zylinderkopfboden 48 bis über die Höhe
einer dem Ringraum 46 zugewandten Mündung 54 des
ersten Verbindungskanals 44 hinaus erstreckt.
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Selbstverständlich
ist es vorstellbar, in alternativen Ausführungsformen das
Element 52 zum Vermeiden eines direkten Anströmen
des Ringraums 46 anders als vorliegend gezeigt auszubilden
oder das direkte Anströmen des Ringraums 46 zu
ermöglichen. In 3, 4 und 5 sind
zudem Bohrungen 56 für Zylinderkopfschrauben 58 erkennbar.
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Im
Kühlbetrieb strömt Kühlmittel, wie in 3 in
Zusammenschau mit 5 erkennbar, durch einen zweiten
Verbindungskanal 60 aus einer der auf der Einlassseite 12 angeordneten
unteren Kammern 34 in den oberen Kühlmittelraum 32 des Zylinderkopfes 10.
Ein Querschnitt des in vorteilhafter Weise mittels spanender Formgebung
zu erstellenden zweiten Verbindungskanals 60 ist so bemessen,
dass der Hauptstrom 50 nach dem Durchströmen des
Kurbelgehäuses mit den Zylinderlaufbuchsen für
eine ausreichende Kühlung der Einlassseite 12 des
Zylinderkopfes 10 sorgt. Der zweite Verbindungskanal 60 weist
hierfür einen größeren Querschnitt als
der erste Verbindungskanal 44 auf.
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In
einem unteren Bereich der Bohrungen 56 für die
Zylinderkopfschrauben 58 sind Verschlusselemente 62 angeordnet,
welche beim Herstellen des ersten Verbindungskanals 44 und
des zweiten Verbindungskanals 60 mittels spanender Formgebung, beispielsweise
durch Bohren, ausgebildete Öffnungen abdichten und so im
Kühlbetrieb ein Übertreten von Kühlmittel
in die Bohrungen 56 verhindern.
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Im
Kühlbetrieb verringert sich nach dem Durchströmen
des ersten Verbindungskanals 44 und des zweiten Verbindungskanals 60 infolge
einer Querschnittserweiterung die Strömungsgeschwindigkeit
des Kühlmittels. Dies führt zu einer geringeren Wärmeabgabe
des Auslasskanals 22 an das Kühlmittel und zu
einem geringeren Wärmeeintrag in den Einlasskanal 14.
Damit geht eine Wirkungsgradsteigerung der Verbrennungskraftmaschine
einher. Gleichzeitig wird das Kühlmittel weniger stark
erwärmt als dies bei einem raschen Vorbeiströmen
am Auslasskanal 22 der Fall wäre. Dies trägt
zu einer Wirkungsgradsteigerung des Kühlmittelkreislaufs bei.
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In
einer vorliegend dargestellten Ausführungsform des Zylinderkopfes 10 wird,
wie in 2 und 4 erkennbar, im Kühlbetrieb
eine untere Kammer 64 auf der Auslassseite 20 nicht
von Kühlmittel durchströmt. Dadurch wird die Wärmeabgabe des
Auslasskanals 22 an das Kühlmittel und ein Wärmeverlust
des Auslasskanals 22 zusätzlich verringert. Im
oberen Kühlmittelraum 32 ist in 1 und 2 eine
auf der Einlassseite 12 angeordnete Kammer 66 dargestellt,
welche im Kühlbetrieb ebenfalls nicht von Kühlmittel
durchströmt wird. Hierdurch wird eine weitere Wirkungsgradsteigerung
der Verbrennungskraftmaschine durch einen verringerten Wärmeeintrag
in den Einlasskanal 14 erreicht. Alternativ oder ergänzend
kann zumindest eine der unteren Kammern 34 auf der Einlassseite 12 und/oder
auf der Auslassseite 20 so ausgebildet sein, dass sie im Kühlbetrieb
von Kühlmittel frei ist.
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Selbstverständlich
ist es vorstellbar, in einem alternativen Ausführungsbeispiel
die untere Kammer 64 mit einem Kühlmitteleinlass 36 zu
versehen und an den ersten Verbindungskanal 44 anzuschließen. Ebenso
kann zusätzlich oder alternativ die Kammer 66 auf
der Einlassseite 12 des Zylinderkopfes Teil des oberen
Kühlmittelraums 32 sein, welcher im Kühlbetrieb
von Kühlmittel durchströmt wird. Auch kann die
Anzahl der im Kühlbetrieb von Kühlmittel durchströmten
unteren Kammern 34 sowie über oder unter dem Einlasskanal 14 bzw.
dem Auslasskanal 22 angeordneter Kammern 64, 66 von
der des gezeigten Ausführungsbeispiels abweichen.
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Durch
geeignetes Dimensionieren der Querschnitte des ersten Verbindungskanals 44 und
des zweiten Verbindungskanals 60 kann der dem Zylinderkopf 10 pro
Zylinder zugeführte Kühlmittelstrom so eingestellt
werden, dass eine gleichmäßige Kühlung
der vorliegend nicht dargestellten Zylinder im Kühlbetrieb
gewährleistet ist. Die durch Bohren oder dergleichen spanende
Formgebung herzustellenden Verbindungskanäle 44, 60 lassen
sich im Gegensatz zu gegossenen Hohlräumen auch nachträglich
leicht anpassen. Der beschriebene Zylinderkopf 10 ermöglicht
somit eine vereinfachte und dadurch kostengünstige Fertigung
der unteren Kammern 34.
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Die
Verteilung des Kühlmittels zwischen den Zylindern ist außerdem
unabhängig von beispielsweise durch Gusstoleranzen bedingten
Geometrieabweichungen von Hohlräumen der einzelnen Zylinderköpfe 10 einstellbar.
Ebenso ist die Ausbildung eines Kurzschlussstroms des Kühlmittels
auf der Auslassseite 20 des Zylinderkopfes 10 unterbunden.
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Gleichzeitig
sorgt die beschriebene Ausbildung des Zylinderkopfes 10 für
eine hohe Steifigkeit und Haltbarkeit des Zylinderkopfes 10 auch
bei hohen Drücken in der Verbrennungskraftmaschine.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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